基于嵌入式的通用电子测量仪器硬件平台设计研究

裴晓燕

（晋中职业技术学院，山西晋中，030600）

0 引言

通过应用嵌入式系统与模块功能设置，可以优化通用电子测量仪器结构、扩展应用功能、增强应用效用。例如，在现阶段使用的通用电子测量仪器之中，主要包括：（1）数字存储示波器；（2）数据记录仪；（3）数字频率计；（4）频谱分析仪；（5）任意波形发生器；（6）多功能函数发生器；（7）噪声发生器。由于此类仪器在重量、体积、通用性能、功耗等方面，均具备一定的比较优势。因而，在与嵌入式系统进行技术融合应用的过程中，通常会根据通用电子测量仪器的实际使用需求，对其硬件平台进行具体设计。

1 嵌入式通用电子测量仪器体系结构

通用电子测量仪器的功能主要包括了信号产生-获取、数据采集-控制、数据分析-处理、数据输出-显示四大部分。通常设计的典型性嵌入式通用电子测量仪器系统中，上层由嵌入式计算机平台与嵌入式软件平台构成，下层以仪器硬件电路作为支撑。其中，嵌入式计算机系统中包括了CPU、DSP、FPGA、内存，同时，设置有人机交互接口、通信及I/O接口，以及A/D转换模块。用户在具体应用中可以根据在电源系统、DUT、参考信号支持下，通过数字信号调理、RF信号调理、模拟信号调理、RF信号下变频等直接连接到嵌入式计算机系统。具体的仪器系统结构见下图1。

图1 嵌入式通用电子测量仪器系统结构

2 嵌入式通用电子测量仪器硬件平台硬件设计分析

2.1 仪器硬件平台设计

首先，在硬件组成结构方面，主要按照模块化的单元制式，进行平台基本结构设置，见下图2。

图2 通用电子测量仪器硬件平台基本结构

其次，根据各相单元制式的模块功能需求，选择匹配的硬件配置。具体如下：

（1）在仪器控制单元，选择普通仪器中的片上系统ARM处理器，其处理速度在200MHz到1GHz之间。其优势主要体现在内部资源丰富、成本投入适中，以及在消费电子领域的普遍适用性等方面。

（2）嵌入式系统的存储器以NAND FLASH为准，其特点是速度快、容易小、价格一般、适用性较强。配套的接口选择SD接口。

（3）在显示功能方面，按照用户使用习惯，本次研究中选用彩色型LCD液晶显示屏。

（4）键入功能中按照键盘方式功能需求，选择混合式键盘。

（5）命令/数据通道选用FPGA进行逻辑设计。

第三，由于DSP平台不能较好的支持嵌入式Linux、Windows CE系统的数据处理功能。因而，在本次研究中，根据仪器硬件平台基本结构确定各项硬件配置后，以平台架构设计需要为准，选择了ARM+FPGA结构的设计方案。设计架构见下图3。

图3 ARM+FPGA结构的通用电子测量仪器硬件平台设计架构

在该架构下，可以明确各单元模块中的功能。例如，仪器控制单元作为核心系统，通过设置辅助电路与内存电路，能够较好的支持整个操作系统的运行。而存储单元选择的存储卡接口与NAND FLASH能够帮助仪器平台，对应用系统生成的定标文件、配置文件，以及应用中的各种测量数据进行全面的存储，并构建内容完整的文件系统。尤其是在基于FPGA双显示缓存LCD液晶显示屏支持下，能够以800*480的分辨率，实现乒乓式数据显示。利用FPGA进行异步FIFO命令/数据通道设计，也能够使仪器前端测量模块与显示单元、仪器控制单元之间建立起一个交互性的数据传输路径，完成测量数据采集与命令传输等。加上混合式键盘单元中设置的旋转编码器、扫描、主机通信电路，能够较好的实现数据多元输入与快速转换及传输。另外，以串口、USB接口、网口为通信接口，较好的实现了仪器控制单元ARM核心系统的集成。而且，在以太网接口在专用芯片应用条件下也获得了有效扩展，有利于扩大应用范围。

2.2 仪器软件系统设计

在软件系统设计方面，本次研究以嵌入式Linux软件系统为准，能够在文件系统、Linux、启动引导代码支持下，通过连接应用程序、通用电子测量仪器硬件平台、设备管理器，以及安装设备驱动程度，完成嵌入式软件系统应用。软件系统结构见下图4。

图4 软件系统结构

其中，在开发设备系统驱动程序环节，目标定位在file_operation结构中的文件操作函数方面，所以，仅需要按照了解设备电路原理——对设备地址进行映射与定义设备号——实现初始化函数——设计实现文件操作与定义file_operation结构后，通过设置文件操作函数（如write、read），并于该驱动程序中进行内核编译，或者采用insmod命令进行模块加载即可实现对该设备驱动程序的开发。

2.3 仪器硬件电路设计

完成嵌入式通用电子测量仪器硬件平台搭建、软件系统设置等上层系统后，需要对应下层系统功能设置，配套的进行仪器硬件电路设计。本次研究中主要按照通用电子测量仪器硬件平台架构中的单元模块进行电路设计。分述如下：

（1）仪器控制单元中包括了控制单元处理器电路、内存电路、辅助电路，以及PCB布线。由于本方案中选用了S3C2400嵌入式微处理中，配置了ARM920T内核。因而，在设备接口相对较多的情况下，根据AHB系统总线、APB系统总线进行了内部资源功能分区，然后，根据平台地址空间映射关系，设置了具有自刷新功能与掉电模式的SDRAM控制器。因而，在内存电路方面，主要按照芯片、处理器对应引脚线连接的方式与4字节寻址单位设置，较好的实现了内存电路基础上的通信关联。在JTAG、时钟、芯片配置方面的辅助电路细化程度较高，具体见下图5。

图5 辅助电路 （部分）

PCB布线以SDRAM高速器件为准，根据电路范畴选用了“短布线、且等长”的基本原则进行了仿真布线设置。简单讲，所有电路的布线均按照现实布线方式，选择对应的仿真模型。例如，在SDRAM时钟线的PSCLK仿真模型中，本次研究中选择了IBIS模型，利用V/I曲线建模方法，完成了对I/O BUFFER的精准建模。另外，考虑到关键信号的传输精准性问题，本次研究中选择了阻抗匹配方案，能够预防信号反射时产生的振铃、过冲、下冲等问题。继续以时钟线仿真结果为例，在匹配源端阻抗后，明显在信号传输方面优化未匹配阻抗的方案。匹配阻抗前后的仿真结果见下图6。

图6 SDRAM 时钟线 PSCLK 在阻抗匹配前、后的仿真结果

（2）其它单元的电路设计如下：首先，在存储单元主要按照NAND FLASH电路与SD卡接口电路进行具体设计，SDCRAD中选用的SPI模式，能够满足多种微控制器中的通信协议需求。其次，在显示单元则按照S3C2440内部集成的LCD控制器结构（ARM系统总线、控制模块、LCD FIFO、LCD屏幕接口），配套FPGA显示缓存1与显示缓存2，设置显示缓存电路与LCD显示接口电路。除此之外，在地址分配方面，仪器显示单元与命令/数据通道的地址空间分配如下表1所示。

表1 仪器显示单元与命令/数据通道的地址空间分配

第三，在混合式键盘电路设计中按照键盘接口（串口）、键盘控制器、8条行扫描线、6条列扫描线、8*6矩阵键盘构成，通过旋转编码器鉴相电路将旋转编码器与前面构成部分进行关联，当键盘控制器电路与主机通信电路等关联起来后，可以实现正旋、反旋运用。至于仪器接口方面的RS232接口电路、USB主从接口电路、以太网接口电路设计，分别采用了UART逻辑电平转换方案、引脚连接方案、专用芯片方案。最后，借助仪器平台显示单元的逻辑设计（时钟、控制、LCD时序模块）、命令/数据通道逻辑设计（FPGA XC3S400A 内嵌45KB 的 RAM），应用嵌入式Linux分区结构实施系统调试与试运行。

3 结束语

随着数字电子技术的快速发展与应用，通用电子测量仪器便进入到了智能化发展阶段，通过对微处理器的应用，解决了硬件逻辑、软件灵活度问题，全面提高了数据处理功能。通过以上初步分析可以看出，在应用嵌入式系统后，可以建立关于通用电子测量仪器的硬件平台。以基于ARM+FPGA的硬件平台架构设计情况为例，其适用性、功能性可以获得科学设置，可以充分发挥FPGA中的逻辑设计优势，从而在嵌入式Linux操作系统下，较好的完成平台开发。另外，通过对该平台的使用，能够进一步对PCB设计中的布局布线、LCD显示功能、用户界面等实施优化处理，从而达到对通用电子测量仪器诸项功能的有效使用。